渗流作用下隧道围岩的破坏机制分析

王 哲

(中铁十九局集团 第三工程有限公司, 辽宁 沈阳 110136)

0 引言

隧道作为公路建设的控制性工程,其围岩的安全稳定是整个项目顺利竣工的关键.在隧道开挖过程中,不可避免地会遇到涌突水情况.近年来,关于地下水作用下岩石的力学特性研究成果颇丰.田坤云等[1]通过自行设计的真三轴渗流装置对砂岩及煤岩试样进行了真三轴压缩试验,根据试验结果掌握了在加水过程中试样内部的裂隙发育情况.雷华阳等[2]对天津地区的黏土进行了循环三轴渗流试验,分析了动载、渗流耦合作用下该地区黏土的力学特性.邬爱清等[3]针对自然界中岩体结构的多样性,应力环境的复杂性等多种因素影响的问题,研制了水-力耦合作用下的真三轴裂隙三体三轴试验系统,并成功对玄武岩进行了试验应用,取得了较为理想的试验结果.张培森等[4]采用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行了不同温度及渗透压下的三轴压缩试验,分析了不同试验条件下砂岩的力学特性.

本文针对渗流作用下隧道围岩的力学特性展开研究.以辽宁某在建公路隧道为工程背景,对该隧道砂岩进行三轴压缩渗流试验,分析不同围压及渗透压作用下岩石的力学特性及渗透特性,为实际工程提供可靠的理论依据.

1 试验方法及流程

1.1 试验仪器

本文隧道砂岩三轴压缩渗流试验均在中国科学院武汉岩土力学研究所自主研制的多功能岩石三轴试验系统上完成.该系统由围压、轴压和渗透压3套独立的控制模块组成,能够提供最大轴压600 MPa,最大围压60 MPa,最大渗透压60 MPa.该系统能够进行常规三轴压缩试验,孔隙水渗透试验以及流固耦合试验等.试验过程中,整套系统可实时记录荷载、位移、应力、应变以及渗透压等试验数据,并根据试验数据绘制应力-应变曲线、荷载-位移曲线等.全自动岩石三轴试验系统如图1所示.

图1 全自动岩石三轴试验系统

1.2 试样材料及试验方案

本文试验岩样均取自辽宁某在建公路隧道的完整砂岩岩块.根据《水利水电工程试验规程》(SL264—2001),将完成岩块进行切割、钻孔、打磨,最终制备成直径50 mm、高100 mm的标准岩石力学试验试件.在制样过程中应尽量保证试件的端部平整度和柱面的圆滑度,尽可能减小试样之间的误差.制备好的砂岩试样如图2所示.

图2 制备完成的砂岩试样

根据隧道实际埋深及现场实测地下水渗流情况,本文设置围压分别为5、10、15、20 MPa,渗透压分别为2、4、6、8 MPa.具体试验步骤为

1) 试验前,将加工好的砂岩试样进行真空饱水处理,其中真空时间为10 h,饱水时间为5 h.

2) 用橡胶套对饱水后的砂岩试样进行密封处理,然后放入三轴压力室内,依次安装轴向位移计,环向位移计,同时将进水口和出水口连接好.

3) 封闭压力室,起动液压泵,对压力室内进行充油排气,待压力室内充满液压油后,采用力控制方式施加围压至预定值,加载速率为2.0 MPa/min,以同样的方式施加渗透压至预定值.

4) 上述步骤完成后,采用力控制方式施加轴压至试样失稳破坏,设置加载速率为2.5 MPa/min,最后导出试验数据,采集试样破坏照片,清理试验机.

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线分析

限于篇幅,文中仅给出渗透压2 MPa,不同围压下和围压5 MPa、不同渗透压下砂岩的三轴压缩应力-应变曲线,如图3所示.从图3中可以明显看出,砂岩试样的应力-应变关系表现出明显的脆性破坏特征,不同试验条件下的应力-应变曲线均表现出典型的5阶段特征,即微裂隙压密阶段、弹性阶段,裂隙稳定发育阶段、裂隙非稳定发育阶段及峰后阶段.相同渗透压条件下,试样的峰值强度随围压的升高而逐渐增大,弹性模量逐渐增大.相同围压条件下,试样的峰值强度随渗透压逐渐减小,弹性模量逐渐减小,说明渗透压对岩石的强度特性具有弱化作用.

(a) 渗透压p0=2 MPa

(b) 围压σ3=5 MPa图3 渗流作用下砂岩三轴压缩应力-应变曲线

根据试验结果可知,当渗透压2 MPa,围压5、10、15、20 MPa下试样的峰值强度分别为112.81、135.03、147.56、176.83 MPa,围压由5 MPa增至20 MPa,砂岩试样的峰值强度增幅近60%,可见围压能够显著提升岩石的承载能力;当围压5 MPa,渗透压2、4、6、8 MPa下试样的峰值强度分别为112.81、103.52、95.32、89.23 MPa,渗透压从2 MPa增至8 MPa,峰值强度减幅近30%,可见渗透压对岩石具有明显的损伤劣化作用.

2.2 渗流作用下砂岩渗透率演化机制分析

通常情况下,在室内三轴压缩条件下岩石渗透率的测试方法主要包括2种,即稳态法与压力脉冲衰减法.其中,稳态法适用于渗透率相对较高的岩石,而压力脉冲法与之相反,该方法对于致密岩石具有较好的使用性[5].由于本文砂岩致密性较高,渗透性较差,因此采用压力脉冲法来测试渗透率.

在砂岩三轴压缩渗流试验中,首先围压应达到预定值,过程中试样内部原生裂隙得到亚密闭合,且围压越大微裂隙闭合程度越高,试样的渗透率越低.图4为渗透压2 MPa,不同围压下砂岩的渗透率、偏应力随轴向应变的分布曲线,根据试验结果可知,围压5、10、15、20 MPa施加后,砂岩试样的初始渗透率分别为2.46×10-19、1.90×10-19、1.48×10-19、0.96×10-19m2,围压由5 MPa升至20 MPa,砂岩的渗透率减小近60%,表明围压能够显著抑制岩石类材料的渗流特性.

图4 渗透压2 MPa,不同围压下砂岩偏应力和 渗透率随轴向应变分布曲线

从图4中还可以看出,随着试样所承受荷载的逐渐增大,试样开始进入微裂隙压密阶段,渗透率随荷载的增大呈逐渐减小趋势,原因是围压作用并未完全使试样内部微裂隙闭合,部分裂隙仍处于激活状态,随着轴向荷载的施加,这部分裂隙开始被压密闭合,致使砂岩试样的渗透率逐渐降低.随着轴向荷载的不断增大,试样开始进入弹性阶段,砂岩渗透率略有降低,但相对压密阶段降幅较小,原因是该阶段试样内部裂隙进一步被压密,几乎无新生裂隙产生.进入裂隙稳定发育阶段后,随着轴向荷载的增大,试样的渗透率保持不变,原因是该阶段压密裂隙与新生裂隙共同存在,且二者的变化情况基本相同,此时试样的渗透率达到最小值,围压从小到大,砂岩的渗透率分别为1.36×10-19、1.01×10-19、0.61×10-19、0.39×10-19m2,与初始渗透率相比,分别减小了44.72%、46.84%、58.78%和67.71%.伴随着轴向荷载的继续增大,试样开始进入裂隙非稳定发育阶段,该阶段内砂岩内部裂隙快速发育,闭合裂隙逐渐张开,最终导致渗透率逐渐增大.试验结束时,不同围压下砂岩试样的渗透率分别为7.05×10-19、9.66×10-19、12.21×10-19、15.37×10-19m2.

图5为围压5 MPa,不同渗透压下砂岩的渗透率、偏应力随轴向应变的分布曲线.根据试验结果可知,在渗透压分别为2、4、6、8 MPa时,砂岩试样的初始渗透率分别为2.46×10-19、2.61×10-19、2.78×10-19、3.03×10-19m2,渗透压由2 MPa升至8 MPa,砂岩的渗透率增长约20%,表明渗透压的增大使得砂岩的渗透性增强,渗透率逐渐升高,从而使试样内部孔隙逐渐增大,损伤劣化程度逐渐加深,最终导致砂岩承载能力下降.

图5 围压5 MPa,不同渗透压下砂岩偏应力和 渗透率随轴向应变分布曲线

通过上述试验结果我们发现,围压和渗透压对砂岩的渗透率影响较大,三轴压缩条件下砂岩的渗透率变化特征与砂岩典型的五阶段变化特征相互对应,即砂岩内部的裂纹发育特征在微观层面决定了渗透率演化特征,在宏观层面决定了砂岩的力学特性.

3 结论

1) 同一渗透压条件下,砂岩的峰值强度、弹性模量逐渐增大.同一围压条件下,砂岩的峰值强度、弹性模量随渗透压逐渐减小.说明围压具有提高岩石抵抗变形的作用,而渗透压则起到对岩石的弱化作用.

2) 同一渗透压条件下,围压由5 MPa升至20 MPa,砂岩的渗透率减小近60%,表明围压能够显著抑制岩石类材料的渗流特性.同一围压条件下,渗透压由2 MPa升至8 MPa,砂岩的渗透率增长约20%,表明渗透压的增大使得砂岩的渗透性增强,渗透率逐渐升高,最终导致砂岩承载能力下降.

3) 不同试验条件下砂岩的渗透率随轴向应变的演化规律基本相同,与三轴压缩条件下砂岩典型的五阶段变化特征相互对应.